DE2433809B2

DE2433809B2 - STEPPER MOTOR

Info

Publication number: DE2433809B2
Application number: DE19742433809
Authority: DE
Inventors: Heinz 7031 Weil; Zimmermann Volker 7032 Sindelfingen; Zühlke Rainer Dr 7251 Warmbronn Lutz
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1974-07-13
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1977-07-14
Also published as: US4045696A; JPS5118806A; GB1471272A; FR2278191A1; FR2278191B1; DE2433809A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor mil einem Stator, der Erregerwicklungen tragende ausgeprägte Statorpole mit durch Nuten getrennten Statorzähnen besitzt, und mit einem trägheitsarmen Rotor, der durch Nuten getrennte Roiorzähne aufweist.The invention relates to a stepping motor with a stator having salient stator poles carrying excitation windings and having stator teeth separated by slots, and with a low-inertia rotor having rotor teeth separated by slots.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der FR-PS 20 67 148 bekannt. Zur Erzielung eines kleinen Trägheitsmomentes ist der Rotor dieses Motors rohrlörmig ausgebildet, wobei die Zähne und Nuten des Rohres angeordnet sind.Such a stepper motor is known from FR-PS 20 67 148. To achieve a small moment of inertia the rotor of this motor is tubular, with the teeth and grooves of the tube are arranged.

Ein ähnlicher Schrittmotor ist in der DT-OS 20 22 750 beschrieben, bei dem ebenfalls der Rotor aus einem in der Mantelfläche gezahnten Hohlzylinder besteht. In dem Hohlzylinder steht ein Kern, der über magnetische Rückflüsse mit den Statorpolen verbunden ist. Durch die Ausbildung des Rotors als Hohlzylinder ist es möglich, das Trägheitsmoment des Rotors etwa um den Faktor 2 gegenüber einem vollen Rotor zu verkleinern.A similar stepper motor is in DT-OS 20 22 750 described, in which the rotor also consists of a hollow cylinder toothed in the lateral surface. In The hollow cylinder has a core that is connected to the stator poles via magnetic return flows. Through the By designing the rotor as a hollow cylinder, it is possible to reduce the moment of inertia of the rotor by a factor of approximately 2 compared to a full rotor.

Durch die DT-OS 22 23 153, insbesondere deren Fig. 2 und deren Patentanspruch 1, ist ein Schrittmotor bekannt, bei dem der Rotor auf der den Statorpolen zugekehrten Seite kegelstumpfförmig ausgebildet ist. In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Rotor über mehr als die Hälfte seiner Länge zylinderförmig, und der Rest ist ein stumpfer Konus, so daß diese Rotorform von der Zylinderform nur sehr wenig abweicht. Weshalb der den Statorpolpaaren zugekehrte Teil des Rotors kegelstumpfförmig ist, ist nicht erläutert.By the DT-OS 22 23 153, in particular its Fig. 2 and its claim 1, a stepper motor known, in which the rotor is frustoconical on the side facing the stator poles. In the embodiment of FIG. 2, the rotor is cylindrical over more than half its length, and the The rest is a blunt cone, so that this rotor shape deviates very little from the cylindrical shape. Why the The part of the rotor facing the stator pole pairs is frustoconical, is not explained.

Die DT-PS 20 64 539 beschreibt einen Elektromotor, bei dem der Wicklungsträger hohl und schwach konisch ausgebildet ist. Zur schnellen Abbremsung dieses Motors wird der konische Wicklungsträger gegen einen im Innern dieses Wicklungsträgers angeordneten ebenfalls konischen Kern axial verschoben, wobei beide Flächen als Bremse wirken.The DT-PS 20 64 539 describes an electric motor in which the winding carrier is hollow and slightly conical is trained. For rapid braking of this motor, the conical winding support is against a in the interior of this winding support also displaced conical core axially, with both Areas act as a brake.

Die FR-PS 20 67 148, die DT-OS 20 22 750 und die DT-AS 20 64 539 beweisen, daß man vor dem Anmeldezeitpunkt bestrebt war, das Trägheitsmoment der Rotoren von Elektromotoren kleinzuhalten. Mit dem rohrförmigen Rotor war man jedoch an der Grenze der Möglichkeiten angelangt.The FR-PS 20 67 148, the DT-OS 20 22 750 and the DT-AS 20 64 539 prove that one before At the time of registration, efforts were made to keep the moment of inertia of the rotors of electric motors small. With The tubular rotor, however, had reached the limit of possibilities.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schrittmotor mit magnetisicrtem Rotor zu schaffen, dessen Trägheitsmoment allein durch eine besondere Formgebung des Rotors wesentlich kleiner ist als das Trägheitsmoment eines Rotors mit zylindrischer Form, ohne daß das Drehmoment im gleichen Maße reduziert wird. Diese spezielle Formgebung ist sowohl für einen vollen als auch für einen hohlen Rotor möglich.The object of the invention is to create a stepper motor with a magnetized rotor, whose moment of inertia The special shape of the rotor alone is significantly smaller than the moment of inertia a rotor with a cylindrical shape without reducing the torque to the same extent. These special shapes are possible for both a full and a hollow rotor.

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Schrittmotor mit einemThis object is achieved in a stepper motor of the type mentioned according to the invention solved that with a stepper motor with a

sicncn Rotor der Rotor im gesamten aktiven Bereich clic Form eines Kegels aufweist.sicncn rotor the rotor in the entire active area clic has the shape of a cone.

Durch die Kegelform des Rotors kann das Trägheitsmoment verringert werden, ohne daß das Drehmoment des Schrittmotors im gleichen MaIiIe reduziert wird, s Außerdem ist die Dämpfung eines kegelförmigen Rotors größer als die eines zylindrischen Rotors, so daß der kegelförmige Rotor schneller zu-.i Stillstand kommt als ein zylindrischer. Zwar sind durch die DT-OS 22 23 153 und die DT-AS 20 64 539 bereits Eekiromotoren bekannt, deren Rotoren Andeutungen konischer Formen aufweisen, in allen diesen Fällen weicht jedoch die Rotorform nur ganz geringfügig von der Zylinderform ab, so daß die leicht konische Ausbildung keinen merklichen Einfluß auf das Trägheitsmoment der Rotoren haben konnte. Die leicht konische Form wurde aus völlig anderen Gründen gewählt, teils um die Stabilität des Rotors zu vergrößern, teils um solche Rotoren bequem abbremsen zu können.Due to the conical shape of the rotor, the moment of inertia can be reduced without reducing the torque of the stepping motor in the same time, s In addition, the damping of a conical rotor is greater than that of a cylindrical rotor, so that the conical rotor comes to a standstill faster than a cylindrical one. Although the DT-OS 22 23 153 and the DT-AS 20 64 539 are already Eekiro motors known whose rotors have hints of conical shapes, in all these cases, however, gives way the rotor shape only slightly differs from the cylindrical shape, so that the slightly conical design does not could have a noticeable influence on the moment of inertia of the rotors. The slightly conical shape was Chosen for completely different reasons, partly to increase the stability of the rotor, partly to increase the stability of the rotor Braking rotors comfortably.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung entspricht bei einem Schrittmotor mit bei einem beliebigen Querschnitt gleich breiten Nuten und Zähnen für Rotor und Stator die Länge des Rotors etwa dem drei- bis vierfachen des Radius der Kegelgrundfläche.According to a further development of the invention, in a stepper motor corresponds to any one Cross-section of the same width grooves and teeth for rotor and stator, the length of the rotor about three to four times the radius of the cone base.

Der Rotor kann als Hohlkegel ausgebildet sein, in dessen Innerem ein kegelförmiger Kern steht.The rotor can be designed as a hollow cone, inside of which there is a conical core.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor ein permanenlmiagnetischer, zwei unterschiedliche Pole bildender Doppelkegel, dem zwei entsprechende zu einer Mittelebene symmetrische und die Erregerwicklung tragende, gleichsinnig e^rregtc Statorpole gegenüberstehen, die über eine ringförmige, magnetisch leitende Rückführung für den magnetischen Gleichfluß des Rotors miteinander verbunden sind und wobei die Zähne und Nuten der beiden Teilrotoren oder der beiden Statorpole gegeneinander versetzt sind.According to a further embodiment of the invention the rotor is a permanenlmiagnetischer, two different poles forming double cone, the symmetric two corresponding to a central plane and opposed to the field coil carrying the same direction e ^r regtc stator poles of an annular, magnetically permeable return for the magnetic Gleichfluß Rotors are connected to each other and wherein the teeth and grooves of the two part rotors or the two stator poles are offset from one another.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf einer das spitze Ende des Kegels überragenden Welle befestigt ist und dadurch die Form eines Kegelstumpfes annimmt und daß die Länge des Kegelstumpfes gleich dem 3,2fachen des Grundflächenradius des Kegels ist, wenn der Radius der Welle ein Fünftel des Radius der Kegelgrundfläche beträgt.Another development of the invention is characterized in that the rotor on one of the pointed end of the cone protruding shaft is attached and thereby assumes the shape of a truncated cone and that the length of the truncated cone is equal to 3.2 times the base radius of the cone, if the radius of the shaft is one fifth of the radius of the cone base.

Der Rotor und die Statorpole können durch Sintern von körnigem und pulverigem Eisen in Formen hergestellt sein.The rotor and stator poles can be formed by sintering granular and powdery iron into shapes be made.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der F i g. 1 bis 9 näher erläutert werden.In the following, the invention is intended to be based on FIGS. 1 to 9 are explained in more detail.

F i g. 1 ist ein schernatischer Längsschnitt durch einen zylindrischen Rotor,F i g. 1 is a schernatic longitudinal section through a cylindrical rotor,

F i g. 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen kegelförmigen Rotor gemäß der Erfindung,F i g. 2 is a schematic longitudinal section through a conical rotor according to the invention,

F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Schrittmotor gemäß der Erfindung mit vollem Rotor,F i g. 3 shows a longitudinal section through a stepper motor according to the invention with a full rotor,

Fig.4 ist ein Querschnitt durch den stehenden Teil des Schrittmotors nach F i g. 3,Fig.4 is a cross-section through the standing part of the stepper motor according to FIG. 3,

F i g. 5 zeigt den Rotor für den Schrittmotor nach den F i g. 3 und 4,F i g. 5 shows the rotor for the stepper motor according to F i g. 3 and 4,

Fig.6 veranschaulicht die Zahnung von Rotor und Statorpolen des in den Fig.3 bis 5 dargestellten Schrittmotors,6 illustrates the toothing of the rotor and Stator poles of the stepper motor shown in Figures 3 to 5,

F i g. 7 zeigt die Impulsfolgen, die den Statorwicklungen des in den Fig.3 bis 5 dargestellten Schrittmotors zugeführt werden, ^ή5F i g. 7 shows the pulse trains which are fed to the stator windings of the stepper motor shown in FIGS. 3 to 5, ^ή 5

Fig.8 ist ein Längsschnitt durch einen Schrittmotor gemäß der Erfindung mit hohlem Rotor,Fig. 8 is a longitudinal section through a stepping motor according to the invention with a hollow rotor,

Fig.9 ist ein Längsschnitt durch einen Schrittmotor gemäß der Erfindung mit einem als Doppelkegel ausgebildeten Rotor.Fig.9 is a longitudinal section through a stepping motor according to the invention with a rotor designed as a double cone.

Anhand eines rechnerischen Vergleichs sollen die Vorteile eines vollen kegelförmigen Rotors gegenüber einem vollen zylindrischen Rotor nachgewiesen werden In den Fig. I und 2 sind Schnitte durch solche Rotoren dlrgestellt. Die Magnetisierung in diesen Rotoren wird durch mit Wicklungen versehene Kerne erzeugt, die an der linken Seite der Rotoren axial zu diesen angeordnet sind, so daß nur ein geringer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Kern bestehen bleibt. Um die Mantelfläche der Rotoren sind in Fig. I und 2 nicht dargestellte Statorpole angeordnet, die im Falle des Zylinders gemäß F i g. 1 rechteckige Form aufweisen, im Falle des Kegels nach Fi g. 2 zur Spitze hin keilförmig zusammenlaufen und an den Polflächen der Form des Rotors angepaßt sind. Der magnetische Fluß wird den Rotoren über die Stirnfläche zugeführt und tritt an der Mantelfläche wieder aus. Die Mantelfläche besteht nur zur Hälfte aus Zähnen, von denen in jeder Stellung ¹Ai den Statorzähnen direkt, Vt den Statorzähnen zurHälfte und ¹At den Statorzähnen nicht gegenüberstehen. In jeder Stellung des Rotors tritt demnach der über die Stirnfläche eintretende magnetische Fluß nur auf einem Viertel der Mantelfläche aus.A computational comparison is used to demonstrate the advantages of a full conical rotor over a full cylindrical rotor. Sections through such rotors are shown in FIGS. The magnetization in these rotors is generated by cores provided with windings, which are arranged on the left side of the rotors axially to these, so that only a small air gap remains between the rotor and the core. Around the circumferential surface of the rotors, stator poles (not shown) are arranged in FIGS. 1 and 2, which in the case of the cylinder according to FIG. 1 have a rectangular shape, in the case of the cone according to Fi g. 2 converge in a wedge shape towards the tip and are adapted to the shape of the rotor at the pole faces. The magnetic flux is fed to the rotors via the end face and exits again at the outer surface. Only half of the outer surface consists of teeth, of which in each position ¹ Ai is directly opposite the stator teeth, Vt is half of the stator teeth and ¹ At is not facing the stator teeth. In every position of the rotor , the magnetic flux entering via the end face therefore emerges only on a quarter of the lateral surface.

Setzt man gleiche Flußdichte voraus, dann gilt für den zylindrischen Rotor gemäß F i g.If one assumes the same flux density, then the following applies for the cylindrical rotor according to FIG.

p2 _p2 _

Ky = Ky =

2.tR_z/_z.2.tR _z / _z .

Daraus läßt sich errechnen, daß I₁ = IR, From this it can be calculated that I ₁ = IR,

zum Austritt des gesamten über die Stirnfläche eintretenden Flusses ein Rotor quadratischen Längsschnitts genügt. Eine Verlängerung des Rotors brächte keine Vorteile, da dadurch nur die Drehmasse erhöht würde, ohne daß die Kraft erhöht wird.a rotor with a square longitudinal section for the exit of the entire flow entering via the end face enough. Lengthening the rotor would not have any advantages, as it would only increase the rotating mass would without increasing the force.

Es sollen nun die Größenverhältnisse des kegelförmigen Rotors gemäß F i g. 2 untersucht werden. Auch hier kann der über die Stirnfläche eintretende magnetische Fluß wegen der Zahnung nur an einem Viertel der Mantelfläche austreten. Aus der Formel für die Mantelfläche eines Kegels und seiner Stirnfläche ergibt sichThe proportions of the conical rotor according to FIG. 2 are examined. Here too the magnetic flux entering via the end face can only occur at a quarter of the due to the toothing Emerge from the outer surface. From the formula for the surface area of a cone and its end face results themselves

R_K --T = ^- R _K --T = ^ -

In dieser Gleichung bedeutet 5* die Länge einer Mantellinie. Löst man diese Gleichung auf, dann erkennt man, daßIn this equation, 5 * means the length of one Surface line. If you solve this equation, you can see that

^sk ~ ^s k ~

Die Länge des Kegels Ik kann mit Hilfe des Satzes des Pythagoras aus Rk und sk = 4Rk leicht errechne! werden. Es ergibt sichThe length of the cone Ik can easily be calculated with the help of the Pythagorean theorem from Rk and sk = 4Rk! will. It surrenders

= 3,87 R_K = 3.87 R _K

Im folgenden sollen nun für beide Potorformen da: Drehmoment und das Trägheitsmoment berechneIn the following, there should now be for both types of rotor: Calculate torque and moment of inertia

werden. Für das Drehmoment Mgilt ganz allgemein M = K2-tfr(x)²dl. (6) will. For the torque Mgilt in general M = K2-tfr (x) ² dl. (6)

In dieser Gleichung ist K die Kraft pro Flächenelement, /· der Radiui und dl der Differentialquotient der Länge. Setzt man in Gleichung 6 die Werte für den zylindrischen Roto£ nach Fig. 1 ein und läßt den konstanten Faktor K 2.τ weg, so erhält manIn this equation, K is the force per surface element, / · the radiui and dl the differential quotient of the length. If the values for the cylindrical rotor according to FIG. 1 are inserted into equation 6 and the constant factor K 2.τ is omitted, one obtains

Daraus ergibt sich dannFrom this it then follows

My. ~ My. ~

(7)(7)

(8)(8th)

und wenn man für fe= 2/?/(Gleichung [2]) einsetztand if one substitutes for fe = 2 /? / (equation [2])

M_x ~ 2 Rl. (9) M _x ~ 2 Rl . (9)

Setzt man in die Gleichung 6 die Werte für den Kegel ein und läßt ebenfalls wieder den konstanten Faktor K 2vT weg, dann ergibt sichIf the values for the cone are inserted into equation 6 and the constant factor K 2vT is again omitted, the result is

In dieser Beziehung wird nun dsdurchIn this regard, now becomes dthrough

(10)(10)

ds = ds =

ersetzt, so daß man schließlichreplaced so that one finally

-7f d.v (11)-7f d.v (11)

(12)(12)

erhält. Krsctzt man in diesem Ergebnis .s\ durch den in Gleichung 4 ermittelten Wert,dann ergibt sichreceives. If you reduce .s \ in this result by the in Equation 4 determined value, then results

i = 1.33i = 1.33

(13)(13)

X.X.

(H)(H)

Werden in die allgemeine Formel 14 für das Trägheitsmoment eines rotationssymmetrischen Körpers die Werte für den Kegel eingesetzt und derAre in the general formula 14 for the moment of inertia of a rotationally symmetrical body the values used for the cone and the

konstante Faktor j'jx wieder weggelassen, dann erhält man für den Kegel die Beziehung If the constant factor j'jx is omitted again, the relationship for the cone is obtained

Vergleicht man die Beziehungen 9 und 13. unter der Annahme, daß R/= Rk. miteinander, dann erkennt man, daß das Drehmoment des zylindrischen Rotors etwas größer ist als das des kegelförmigen Rotors.If one compares the relationships 9 and 13 under the assumption that R / = Rk. With each other, then one recognizes that the torque of the cylindrical rotor is somewhat larger than that of the conical rotor.

Das Trägheitsmoment eines rotutionssymmcmsehen Körpers ergibt sich zuSee the moment of inertia of a rotational symmetry Body surrenders to

In dieser Gleichung ist Q die Dichte in kg · m-¹ · see². Lilßt man in dieser Gleichung den konstanten FuktorIn this equation, Q is the density in kg · m- ¹ · see ² . If we leave the constant factor in this equation

4"7WCg und setzt die Werte für den Zylinder ein. dann erhalt man4 "7WCg and inserts the values for the cylinder. Then you get

6060

-^) dx.- ^) dx.

Nach Lösung der Integration ergibt sichAfter solving the integration results

und wenn man in diese Gleichung für /_A· den Wert aus Gleichung 5 einsetztand if one substitutes the value from equation 5 _{for / A · in this equation}

/κ/ κ

^ = 0,774^ = 0.774

Vergleicht man die Gleichungen 16 und 19 und berücksichtigt, daß Rz= Rk ist, dann erkennt man, daß das Trägheitsmoment eines kegelförmigen Rotors noch nicht einmal halb so groß ist wie das Trägheitsmoment eines zylindrischen Rotors.If one compares equations 16 and 19 and takes into account that Rz = Rk , then one recognizes that the moment of inertia of a conical rotor is not even half as large as the moment of inertia of a cylindrical rotor.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Beschleunigung \o eines Schrittmotors um so größer ist, je größer das Verhältnis seines Drehmomentes zu seinem Trägheitsmoment ist. Dieses Verhältnis kann auch als Güte bezeichnet werden. Für den zylindrischen Rotor ergibt sich aus den Gleichungen 9 und 16It has already been mentioned that the acceleration \ o of a stepping motor is greater, the greater the ratio of its torque to its moment of inertia. This relationship can also be referred to as goodness. Equations 9 and 16 result for the cylindrical rotor

.15-.15-

'/ ^{Δ K}y. Ky. '/ ^{Δ K} y. Ky.

Das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment für den Kcgelrotor ergibt sich aus den Gleichungen 13 und 19 zuThe ratio of torque to moment of inertia for the Kcgelrotor results from the Equations 13 and 19 too

1.331.33

Aus den Gleichungen 20 und 21 erkennt man, daß dei kegelförmige Rotor bei R/-Rk um den Faktor 1,72 besser beschleunigt als der zylindrische Rotor,From equations 20 and 21 it can be seen that the conical rotor at R / -Rk accelerates better than the cylindrical rotor by a factor of 1.72,

Hei der Berechnung wurden ein voller zylindrischer Rotor mit einem vollen kegelförmigen Rotor verglichen. Zu den gleichen Gütefaktoren kommt man, wenn man einen hohlen zylindrischen Rotor mit einem hohlen kegelförmigen Rotor vergleicht. Die Größenverhältnisse und die Drehmomente sind die gleichen für hohle und volle Rotoren. Die Trägheitsmomente vermindern sich bei beiden Arten von Rotoren um das Trflgheitsmomeni des im Inneren weggelassenen Teils des Rotors, so daß sich beispielsweise für das Trägheitsmoment des Hohlzylinders For the calculation, a full cylindrical rotor was compared with a full conical rotor. The same quality factors are obtained when comparing a hollow cylindrical rotor with a hollow conical rotor. The proportions and torques are the same for hollow and full rotors. The moments of inertia are reduced in both types of rotors by the moment of inertia of the part of the rotor that is left out in the interior, so that, for example, for the moment of inertia of the hollow cylinder

Aus dieser ergibt sich schließlich 1/. **■ Rz 'z ⁼ 2 K₂.This finally results in 1 /. ** ■ Rz 'z ⁼ 2 K ₂ .

^(l5) /zhohi ~ 2Ä_Z(KJ - r%) ^(l5 ) / zhohi ~ 2Ä _Z (KJ - r%) (16')(16 ')

und für das Trugheitsmoment des Hohlkcgclsand for the moment of inertia of the Hohlkcgcls

~ 0,774~ 0.774

(16) ergibt.(16) yields.

Der Einfachheit halber wurde bisher angenommen, daß die magnetische Flußdichte des Gleichflusses am Rotormantel gleich der magnetischen Flußdichie an der Stirnfläche ist, und daß die Zähne und die Nuten gleich breit sind. Abweichungen von diesen Annahmen führen s bei analoger Berechnung zu etwas anderen Rotorlängen. An der Überlegenheit des kegelförmigen Rotors gegenüber dem zylindrischen Rotor ändert sich jedoch dadurch nichts.For the sake of simplicity, it was previously assumed that the magnetic flux density of the direct flux am The rotor casing is the same as the magnetic flux at the end face, and that the teeth and the grooves are the same are wide. Deviations from these assumptions lead to slightly different rotor lengths in an analog calculation. However, the superiority of the conical rotor over the cylindrical rotor changes thereby nothing.

Wenn ein Schrittmotor angehalten wird, dann pendelt er um den Ruhepunkt. ]e größer die Dämpfung dieser Pendelbewegung ist, um so schneller kommt der Rotor zum Stillstand. Für die Dämpfung d gilt folgende ProporticnalitätsbeziehungWhen a stepper motor is stopped, it oscillates around the rest point. ] The greater the damping of this pendulum motion, the faster the rotor comes to a standstill. The following proportionality relationship applies to the damping d

I'M/IN THE/

(22)(22)

Auch hier bedeuten wieder M das Drehmoment und / das Trägheitsmoment. Setzt man in die Beziehung 22 die aus den Beziehungen 9 und 16 sowie 13 und 19 gewonnenen Werte ein, dann erkennt man, daß die Dämpfung für den kegelförmigen Rotor etwa um das Doppelte größer ist als die des zylindrischen Rotors. Mit anderen Worten, der Kegelrotor wird nicht solange um seine Ruhestellung pendeln wie der Zylinderrotor.Here, too, M again means the torque and / the moment of inertia. If the values obtained from relationships 9 and 16 as well as 13 and 19 are inserted into relationship 22, it can be seen that the damping for the conical rotor is approximately twice that of the cylindrical rotor. In other words, the cone rotor will not oscillate about its rest position as long as the cylinder rotor.

Nachfolgend sollen Ausführungsbeispicle erfindungs gemäßer Schrittmotoren anhand der F i g. 3 bis 9 näher beschrieben werden.Embodiments of stepper motors according to the invention based on FIGS. 3 to 9 closer to be discribed.

Hin erfindungsgemäßer Schrittmotor ist in der F i g. 3 im Längsschnitt und in Fig.4 im Querschnitt dargestellt. Den Rotor dieses Motors zeigt die Fig. 5. Den Rotor 1 trägt eine Welle 2. Um den Rotor herum sind vier Pole 3 (Fig.4) angeordnet. An den Polschuhen .is passen sich die Stalorpole 3 der Oberfläche des Rotors an. Da die magnetischen Feldlinien nur über die Zähne in die Stalorpolc 3 eintreten können, die etwa die Hälfte der Stirnfläche ausmachen, ist die Stirnfläche der Staloipole 3 also doppelt so groß als es wegen der .|u Ihißdichte H notwendig wäre. ILs gibt also keine magnetischen Probleme, wenn sich der Querschnitt der Stalorpole 3. wie aus F i g. 3 zu erkennen ist, nach außen hin verjüngt. Die Statorpole sind in Anpassung an die Form des Rotors zumindest am Polschuh keilförmig .|.s ausgebildet. Jeder Statorpol 3 trägt eine Krrcgerwickhing 5. Die Erregerwicklungen 5 sich gegenüberliegender Pole sind im gleichen Wickhmnssitin gewickelt und miteinander verbunden. Die äul.leren F.nden der Statorpole münden in einen magnetisch gut leitenden y> Ring 6 ein, der /um Rückfluß des weehselmagnetischcn Flusses dient (Fig.4). Der Rotor 1 ist so magnetisiert, daß die magnetischen Feldlinien von der Slirnflllche /.um Mantel verlaufen. Zur Magnetisierung des Rotors 1 dient eine von einem Gleichstrom durchflosscnc ss Wicklung 7. clic auf ein axial zum Rotor 1 liegendes weichmagnetisch^ Teilstück 8 aus fcrramagnctischcm Material gewickelt ist, Das weichmagnctisehc Teilstück 8 hat etwa den gleichen Querschnitt wie der kegelförmige Rotor I an der Stirnfläche. Zur Rück ruh- (10 rung des magnetischen GleichNusscs ist das weichmag· noiischc Tcilstück 8 über eine magnetisch leitende kreisförmige Platte 9 und einen magnetisch leitenden Ring IO mit dem Ring 6 und damit mit den Slalorpolcn 3 verbunden. Der magnetische GleiehflulJ fließt also vom o.s wcichmagnetischcn TcilslUck 8 über den Rotor I in die Statorpole 3, die Ringe 6 und 10 in die Platte 9 und damit wieder zurück zum wcichmagnctisehen TeilstUck 8. A stepper motor according to the invention is shown in FIG. 3 shown in longitudinal section and in Fig. 4 in cross section. The rotor of this motor is shown in FIG. 5. The rotor 1 carries a shaft 2. Four poles 3 (FIG. 4) are arranged around the rotor. At the pole pieces .is, the stalor poles 3 adapt to the surface of the rotor. Since the magnetic field lines can only enter the stalor pole 3 via the teeth, which make up about half of the frontal area, the frontal area of the stalopole 3 is twice as large as would be necessary because of the density H. ILs therefore do not give rise to any magnetic problems if the cross-section of the Stalorpole 3 is as shown in FIG. 3 can be seen, tapers towards the outside. The stator poles are wedge-shaped to match the shape of the rotor, at least on the pole piece. Each stator pole 3 carries a Krrcgerwickhing 5. The excitation windings 5 of opposite poles are wound in the same winding position and connected to one another. The outer ends of the stator poles open into a magnetically highly conductive y> ring 6, which serves for the return flow of the alternating magnetic flux (Fig. 4). The rotor 1 is magnetized in such a way that the magnetic field lines run from the surface to the jacket. A winding 7, which flows through a direct current, serves to magnetize the rotor 1. It is wound onto a magnetically soft part 8, which is axially to the rotor 1, made of magnetic material . To restore the magnetic constant, the soft magnetic piece 8 is connected to the ring 6 and thus to the slalor poles 3 via a magnetically conductive circular plate 9 and a magnetically conductive ring 10 Section 8 via the rotor I into the stator poles 3, the rings 6 and 10 into the plate 9 and thus back again to the magnetic part 8.

Gelagert ist die Welle 2 des Rotors in einem Nadellager 11 im weichmagnetischen Teilstück 8 und in einem Kugellager 12, das in einem Gehäusedeckel 13 befestigt ist, der gleichzeitig zur Abdichtung des Schrittmotors dient. Das Nadellager 11 hat nur eine geringe Belastung auszuhalten; es kann deshalb sehr klein sein, damit es die magnetischen Feldlinien im weichmagnetischen Teilstück 8 nicht stört. Das Drehmoment wird vom rechten freien Ende der Welle 2 abgenommen.The shaft 2 of the rotor is mounted in a needle bearing 11 in the soft magnetic section 8 and in one Ball bearing 12, which is fastened in a housing cover 13, which is also used to seal the stepper motor serves. The needle bearing 11 has only a low load to endure; it can therefore be very small so that there are the magnetic field lines in the soft magnetic section 8 doesn't bother you. The torque is taken from the right free end of the shaft 2.

Die Zahnung der vier Statorpole 3 ist aus Fig.4 zu erkennen und ist in Fig.6 noch einmal aufgerollt dargestellt, leder Statorpol hat im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Zähne 14 und drei Nuten 15. Der Abstand zwischen zwei Statorpolen beträgt P/2 Zahnbreiten. Der Rotor 1 hat 17 Zähne 16, die in gleichen Abständen um den Rotorumfang verteilt sind. Im Ausführungsbeispiel ist die Breite der Zähne 16 gleich der Breite der dazwischenliegenden Nuten 17 gewählt. Erregt man die Statorpole 3 wie durch die Impulsfolgen in Fig. 7 dargestellt, wobei V die den vertikal stehenden Slatorpolen zugeführte Spannung sein soll und H die den horizontal stehenden Statorpolen zugeführtc Spannung, so erhält man ein magnetisches Drehfeld, das jeweils um 90° zyklisch weitergedreht wird. Bei der in F i g. 7 dargestellten Erregung läuft der Motor im sog. Halbschrittbetrieb. Daneben ist auch der sog. Vollschrittbetrieb möglich, bei dem die vertikalen und horizontalen Statorpole immer gleichzeitig erregt sind. Die Drehrichtung des Drchfeldes und damit des Rotors 1 kann durch Umpolung einer der beiden Impulsfolgen umgekehrt werden. Durch die permanente Magnetisierung des Rotors bildet sich beispielsweise an den Zähnen des Rotors der Südpol aus. In der in F i g. b gezeigten Stellung der Rotorzähne würde beispielsweise der zweite Stalorpol von links gerade als Nordpol erregt werden und der vierte Pol von links demzufolge als Südpol. Die dem zweiten Pol nachstehenden Zähne 16 würden wegen ungleichnamiger magnetischer Pole zu den Zahnen des Suitorpoh hingezogen, während die dem vierten Stalorpol am nächsten gelegenen Zähne 16 wegen gleichuamigei magnetischer Pole von den /.ahnen 14 so abgestoßei werden, daß sie schließlich den Nuten 15 gegenüberstehen. In der nächsten Phase würde dann der dritu Statorpol von links als Nordpol und der erste Staloipo als Südpol erregt weiden. Der beschriebene Sehritlmo tor weist wegen tier einfacheren Darstellung nur viel Statorpole 3 und nur 17 /iihtie lh auf dem Rotor auf Natürlich kann der erl'iudungsgeinalk· Rotor auch he .Schrillmotoren mit anderen Zahlen von Statorpolei odor mil mehr Zähnen auf dem Rolor verwende werden. The toothing of the four stator poles 3 can be seen in FIG. 4 and is shown rolled up again in FIG. 6, the stator pole has four teeth 14 and three grooves 15 in the illustrated embodiment. The distance between two stator poles is P / 2 tooth widths. The rotor 1 has 17 teeth 16 which are evenly spaced around the circumference of the rotor. In the exemplary embodiment, the width of the teeth 16 is selected to be equal to the width of the grooves 17 in between. If the stator poles 3 are excited as shown by the pulse sequences in FIG. 7, where V is the voltage supplied to the vertically standing slator poles and H is the voltage supplied to the horizontally standing stator poles, a rotating magnetic field is obtained which is rotated further by 90 ° cyclically will. In the case of the in FIG. 7, the motor runs in so-called half-step mode. In addition, the so-called full step mode is also possible, in which the vertical and horizontal stator poles are always excited at the same time. The direction of rotation of the rotary field and thus of the rotor 1 can be reversed by reversing the polarity of one of the two pulse trains. Due to the permanent magnetization of the rotor, the south pole is formed on the teeth of the rotor, for example. In the in F i g. For example, the position of the rotor teeth shown in b would be the second stalor pole from the left just being excited as the north pole and the fourth pole from the left consequently as the south pole. The teeth 16 following the second pole would be attracted to the teeth of the suitorpoh because of magnetic poles of different names, while the teeth 16 closest to the fourth stalor pole would be repelled by the ancestors 14 due to the same magnetic poles, so that they finally face the grooves 15 . In the next phase the third stator pole from the left would be excited as the north pole and the first staloipo as the south pole. Because of its simpler representation, the described vision motor has only many stator poles 3 and only 17/16 h on the rotor .

Es empfiehlt sich, den Rotor 1 und die Statorpole '. durch Sintern in Formen herzustellen. Beim Sintert wird Feinkörniges oder feinpulvriges Eisen bis nahe ni seinen Schmelzpunkt erhitzt, so daß die Teilchen ai ihrer Oberfläche zu einer porösen Masse verschmelzen.It is recommended that the rotor 1 and the stator poles '. by sintering in molds. During sintering, fine-grained or finely powdered iron is heated to near its melting point, so that the surface of the particles melts into a porous mass.

Bei dem mathematischen Vergleich zwischen Zylin der- und Kcgclrotor wurde errechnet, daß die Lunge de kegelförmigen Rotors gleich dem 3,87fachcn de Grundradius isl. Bei dem in Fig.3 dargcstcltcn Roto ist die Spitze des Kegels Infolge der Befestigung de Welle 2 weggefallen. Es handelt sich also bei diesen Rotor 1 eigentlich um einen Kegelstumpf. Wenn mai die obigen Berechnungen für einen Kegelstump ausführt und dabei annimmt, wie es den Größenvcrhalt nissen in Fig. 3 entspricht, daß der Radius der Welle am oberen Ende des kegelförmigen Rotors 1 einerIn the mathematical comparison between Zylin der- und Kcgclrotor it was calculated that the lung de conical rotor equal to 3.87 times the base radius isl. In the Roto shown in FIG the tip of the cone is omitted as a result of the attachment de shaft 2. So it is with these Rotor 1 actually around a truncated cone. If may the above calculations for a truncated cone executes and assumes how it corresponds to the size nissen in Fig. 3 corresponds to that the radius of the shaft at the upper end of the conical rotor 1 one

700 62B/2I700 62B / 2I

Fünftel des Grundradius entspricht, dann ergibt sich für den Rotor 1 eine Länge, die dem 3,2fachen des Grundradius entspricht. Diese Verkürzung des Rotors ist nicht unerwünscht, sie hat natürlich eine geringfügige Verminderung des GütefaktorsFifth of the base radius, then the resulting length for the rotor 1 is 3.2 times the Corresponds to the base radius. This shortening of the rotor is not undesirable, it is of course a slight one Reduction of the quality factor

DrehmomentTorque

TrägheitsmomentMoment of inertia

zur Folge. Bei dem in F i g. 3 dargestellten Rotor I ergibt sich aber immer noch ein Gütefaktor vonresult. In the case of the FIG. 3, however, the rotor I shown still has a quality factor of

1,651.65

Die F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schrittmotors, bei dem der RotorThe F i g. 8 shows an embodiment of a stepping motor according to the invention, in which the rotor

18 als Hohlkegel ausgebildet ist. In F i g. 8 sind die Teile, die den Teilen in den F i g. 3 bis 5 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in diesen Figuren gekennzeichnet. Unterschiedlich gegenüber dem oben beschriebenen Schrittmotor ist lediglich, daß das weichmagnetische Teilstück 8' in einen kegelförmigen Kern 18 is designed as a hollow cone. In Fig. 8 are the parts which corresponds to the parts in FIGS. 3 to 5 correspond with the same reference numerals as in these figures. The only difference compared to the stepper motor described above is that the soft magnetic section 8 'is inserted into a conical core

19 im Innern des hohlkegeligen Rotors 18 ausläuft. Die rechtsseitige Lagerung des Rotors 18 erfolgt in einem Kugellager 12. Linksseitig ist der hohlkegelige Rotor 18 jedoch in einem Nadellager 20 gelagert, das um das weichmagnetische Teilstück 8' gelegt ist. Wichtigkeit ist. daß das Nadellager 20 möglichst klein ausgebildet ist, damit das Trägheitsmoment des Rotors 18 nicht unnötig vergrößert wird. Wie bereits oben erwähnt, erreicht man dadurch, daß der Rotor hohl ist, eine Verbesserung des Gütefaktors19 runs out inside the hollow-conical rotor 18. The right-hand storage of the rotor 18 takes place in one Ball bearing 12. On the left-hand side, however, the hollow-conical rotor 18 is mounted in a needle bearing 20 that extends around the soft magnetic section 8 'is placed. Importance is. that the needle bearing 20 is made as small as possible, so that the moment of inertia of the rotor 18 is not unnecessarily increased. As already mentioned above, achieved one by the fact that the rotor is hollow, an improvement in the quality factor

DrehmomentTorque

TrägheitsmomentMoment of inertia

etwa um den Faktor 2. Dazu kommt durch die kegelförmige Ausbildung noch einmal eine Verbesserung um den Faktor 1,65. so daß ein Schrittmotor mit hohlem kegeligen Rotor, wie er in F i g. 8 dargestellt ist, einen etwa um den Faktor 3,3 besseren Gütefaktor aufweist, als ein .Schrittmotor mit vollem zylindrischen Rotor. Das auf das weichmagnetische Teilstück 8' aufgeschobene Nadellager 20 könnte auch weiter rechts im Bereich des kegelförmigen Kerns 19 angebracht werden, was den Vorteil hätte, daß der kegelförmige Rotor nicht über die Polschuhe hinaus verlängert werden müßte. Außerdem wäre auch eine einseitige Lagerung des hohlkegeligen Rotors 18 denkbar, indem man diesen auf zwei Kugellagern lagert, wobei ein zusätzliches Kugellager in einigem Abstand von dem Kugellager 12 anzuordnen ist. Im Querschnitt entspricht der Stator des Schrittmotors nach Fig.8 völlig der Darstellung nach F i g. 4.about a factor of 2. In addition, the conical design provides another improvement by a factor of 1.65. so that a stepper motor with a hollow conical rotor, as shown in FIG. 8 is shown, has a quality factor that is about a factor of 3.3 better than a stepper motor with a full cylindrical Rotor. The needle bearing 20 pushed onto the soft magnetic section 8 'could also be further to the right be attached in the area of the conical core 19, which would have the advantage that the conical Rotor would not have to be extended beyond the pole pieces. It would also be one-sided Storage of the hollow-conical rotor 18 is conceivable by placing it on two ball bearings, one being additional ball bearing is to be arranged at some distance from the ball bearing 12. Corresponds in cross-section the stator of the stepper motor according to Fig.8 completely the Illustration according to FIG. 4th

In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einesIn Fig. 9, another embodiment is one

ίο Schrittmotors gemäß der Erfindung dargestellt, dessen Rotor 21 die Form eines Doppelkegels hat. Der Rotor 21 ist so als Permanentmagnet magnetisiert, daß sein Südpol durch die Mantelfläche des einen Kegels und sein Nordpol durch die Mantelfläche des anderen Kegels gebildet wird. Der Rotor 21 wird durch eine Welle 22 getragen, die in herkömmlicher Weise in zwei Kugellagern 23 und 24 drehbar gelagert ist. Die Kugellager 23 und 24 werden durch zwei schalenförmige Gehäuseteile 25,26 gehalten. Entsprechend den zwei symmetrischen Teilen des Rotors 21 sind hier zwei spiegelbildliche Gruppen von Statorpolen 27 und 28 vorgesehen. Die Erregerwicklungen 30 und 31 sind gleichsinnig und können gemeinsam erregt werden, so daß zu einer Zeit an den Zähnen der Statorpole 27 und 28 beispielsweise Südpole entstehen. Der wechselmagnetische Fluß geht quer durch den Rotor in die Statorpole, die den magnetischen Nordpol darstellen, und über einen magnetischen Rückschluß 6 (F i g. 4) auf dem Umfang wieder zurück. Der Rotor 21 habe amίο shown stepper motor according to the invention, its Rotor 21 has the shape of a double cone. The rotor 21 is magnetized as a permanent magnet that his South pole through the surface of one cone and its north pole through the surface of the other Cone is formed. The rotor 21 is carried by a shaft 22 which, in a conventional manner, is split in two Ball bearings 23 and 24 is rotatably mounted. The ball bearings 23 and 24 are cup-shaped by two Housing parts 25,26 held. Corresponding to the two symmetrical parts of the rotor 21 there are two here mirror-image groups of stator poles 27 and 28 are provided. The excitation windings 30 and 31 are in the same direction and can be excited together, so that at a time on the teeth of the stator poles 27 and 28 South Poles, for example, are being built. The alternating magnetic flux goes across the rotor in the Stator poles, which represent the magnetic north pole, and a magnetic yoke 6 (Fig. 4) back to the extent. The rotor 21 have on

.ίο Umfang im linken Teil seinen Nordpol und im rechten Teil seinen Südpol. Der gleichmagnetische Fluß, der im Rotor 21 axial verläuft, schließt sich über die Rückführung 29. Unter diesen Annahmen werden sich Stator- und Rotorzähnc links oben anziehen und rechts.ίο circumference in the left part its north pole and in the right part Part of its south pole. The equal magnetic flux, which runs axially in the rotor 21, closes over the Feedback 29. Under these assumptions, stator and rotor teeth will attract each other at the top left and right

.?s oben abstoßen. Beide Kräfte addieren sich, wenn die Stellung Statorzähne-Rotorzähnc zwischen linker und rechter Hälfte um 180° versetzt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig.9 sind die Zähne des linken Teils des Rotors 21 gegenüber den Zähnen des rechten Teils des Rotors 21 versetzt. Es ist aber auch möglich, die Zähne der Statorpolc 27 und 28 gegeneinander zu versetzen..? s repel above. Both forces add up when the Position stator teeth-rotor teeth between the left and right halves is offset by 180 °. In the exemplary embodiment of Fig.9 are the teeth of the left part of the The rotor 21 is offset from the teeth of the right part of the rotor 21. But it is also possible to use the teeth to offset the stator poles 27 and 28 from one another.

In einer anderen Ausführung.sform des Doppelkegelmotors können die Statorpole 27 und 28, die magnetisch leitende Rückführung 29 und die Erregerwicklungen 30Another embodiment of the double cone motor the stator poles 27 and 28, the magnetically conductive return 29 and the excitation windings 30

•is und 31 aus einem Teil bcsiehen. Für die Montage muß dann allerdings der Motor in axialer Richtung tcilbai sein.• Is and 31 are made from one part. For assembly must then, however, the motor will be tcilbai in the axial direction.

Hierzu 4 Ukitt ZeichnungenIn addition 4 Ukitt drawings

Claims

Patent claims:

1. Stepper motor with a stator, the excitation windings bearing pronounced Slator poles with .s has stator teeth separated by grooves, and with a low-inertia rotor, which is grooved having separate rotor teeth, characterized in that that in a stepper motor with a magnetized rotor, the rotor (1; 18; 21) in entire active area has the shape of a cone.

2. Stepping motor according to claim 1 with grooves and teeth of the same width for the rotor and stator for any cross section, characterized in that the length (Ik) of the rotor corresponds to approximately 3 to 4 times the radius (RK) of the conical base area.

3. Stepper motor according to claim I or 2, wherein the rotor is a hollow body with an inside arranged core is formed, characterized in that the rotor (18) as a hollow cone with a conical core (19) is formed.

4. Stepping motor according to claim I or 2, characterized in that a to the base of the conical rotor (1) adjoining soft magnetic section (8) carries a winding (7) and is in connection with the stator (3) via magnetic circuits (plate 9, ring 10).

5. Stepping motor according to claim 3, characterized in that a winding (7) carrying one soft magnetic section (8 ') merges into the core (19) arranged in the interior of the rotor (18) and is connected to the stator (3) via magnetic feedbacks (plate 9, ring 10).

6. Stepping motor according to one of claims 1, 2 or 4, characterized in that the rotor (21) is a permanent magnetic, two different poles forming double cone, the two corresponding symmetrical to a center plane and bearing the excitation windings (30, 31) in the same direction excited stator poles (27, 28) are opposite, which are via an annular magnetically conductive return (29) for the magnetic direct flux of the rotor (21) are interconnected and that the Teeth and grooves of the two part rotors or the two stator poles are offset from one another.

7. Stepping motor according to one of claims 1. 2 or 4, characterized in that the rotor (1) on the side of the base of the cone in the soft magnetic section (8) and on the side the tip of the cone is mounted in a housing cover (13).

8. Stepping motor according to claim 5, characterized in that the formed as a hollow cone Rotor (18) with its open side on the circumference of the soft magnetic section (8 ') and on the Side of the tip of the cone is mounted in a housing cover (13).

9. Stepping motor according to one of claims I to 8, characterized in that, da.ß the rotor (1; 18; 21) in Needle (11; 20) and / or ball bearings (12) is mounted.

10. Stepper motor according to one of claims 1 to

5, characterized in that the rotor (1; 18) is mounted on one side on the side of the cone tip.

11. Stepping motor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the rotor (1; 18;

21) on one of the pointed end of the cone the shaft (2) is attached and thereby assumes the shape of a truncated cone and that the length of the truncated cone is equal to 3.2 times the base surface radius of the cone, if the radin the shaft (2) is a fifth of the radius of the Kcgelgrunc surface.

12. Stepper motor according to one of claims I bi II, characterized in that the rotor (1; 18 21) and the stator poles (3; 27, 28) manufactured by sintering granular and powdery iron in molds are.